（通信与信息系统专业论文）基于衍射型的光通道性能监测模块（opm）的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e m e t 业务和多媒体应用的快速发展，网络的业务量正在以指数级的速度 迅速膨胀，这就要求网络必须具有高比特率数据传输能力和大吞吐量的交叉能力。 光纤通信投术出现以后，光技术开始渗透于整个通信网，光纤通信有向伞光网推进 的趋势。 目前全光网发展中最待突破的瓶颈之一在于波长监控技术的发展。在波长临控 方面，如何获取光通道的性能状况以支持网络控制和管理操作，成为光通信殴备和 系统设计所要解决的关键问题。光通道性能监测模块( o p m ) f 是为满足这些需求 而出现的一种精确、轻便和低成本的监测模块，它的主要作用是在光网络中比较关 键的位置对各个光通道信号的波长、功率和光信噪比( o s n r ) 进行监测。 光通道性能模块可分为衍射型和干涉型，本论文讨论了基于衍射型的光通道性 能模块的设计和实现方法。首先分析了衍射型光通道性能模块的基本原理与结构， 对核心元件衔射光栅和光电探测器的工作原理进行了阐述。然后根据相关理沦， 提出了o p m 的总体实现方案，对光通道性能模块的光路，光电转换模块，电路兰个 组成部分进行了具体分析，其核心光路部分采用了双通的结构，提高了光栅的衍射 效率，从而成倍增加其工作波长范围，提高波长分辨率。最后通过实验，将o p m 测 得的模拟系统信号的波长、功率和光信噪比三个主要性能指标与a g i l e n t a n r i t u 光谱 分析仪所测结果进行对照，误差在允许范围之内。 本论文对基于衍射型光通道性能监测模块展开了相关的理论分析和详尽的方案 设计，并对研制的o p m 进行了性i i i i i 试，测试结果表明o p m 各项性能指标达到设 计要求，同时也提出了改进意见，这对今后进一步提高产品的研制水平具有较高的 参考价值。 关键词：全光网络，衍射光栅，光性能监测，光信噪比 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ts e r v i c ea n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，t h e a m o u n to fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa r eg r o w i n ge x p o n e n t i a l l y 。i tn e e d st h a tn e t w o r km u s t p r o v i d eh i g hb i tt r a n s m i tr a t ea n dl a r g et h r o u g h p u tc r o s sa b i l i t y 。a f t e rt h ea d o p t i o n o f o p t i c a lf i b e rc o n u n u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，o p t i c a lt e c h n o l o g yi sa p p l i e df o ra l l o v e rt h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。a l lo p 6 c a ln e t w o r kh a sb e c o m et h em a i nd i r e c t i o no fo p t i c a l n b e rc o m m u n i c a t i o n 。 p r e s e n t l yt h e r ea r et w ob o t t l e n e c ko fa o n ，o n ei st h eo p t i c a ls 、v i t c ht e c h n o l o g y ，t h e o t h e ri st h ew a v e l e n g t hi n s p e c t i o nt e c h n o l o g y 。h o wt og e tt h ep e r f o r m a n c eo f t h eo p t i c a l c h a n n e l w h i c hs u p p o r t st h en e t w o r kc o n t r o la n dm a n a g e m e n to p e r a t i o n ，h a sb e c o m et h e k e ym a t t e r o ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c ea n d s y s t e md e s i g n 。o p m ( o p t i c a l p e r f o r m a n c em o n i t o r ) i sap r e c i s e ，p o r t a b l ea n dl o w - c o s ti n s p e c t i o nm o d u l ew h i c hm e e t t h e s ed e m a n d s 。i t sm a i nf u n c t i o ni st oi n s p e c tt h ew a v e l e n g t h ，p o w e ra n do s n r ( o p t i c a l s i g n a ln o i s er a t i o ) o f e a c ho p t i c a lc h a n n e l 。 o p mc a l lb ec l a s s e dd i s p e r s i o na n di n t e r f e r e n t i a lt y p e sb yp r i n c i p l e 。i nt h i st h e s i s ，t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fo p m w h i c hb a s e do nd i s p e r s i o np r i n c i p l eh a db e e n d i s c u s s e d 。f i r s t l y w ea n a l y s e d t h eb a s i c t h e o r y a n ds t r u c t u r e o f o p m ，a n d t h e w o r k t h e o r y o ft h et w ok e r n e lc o m p o n e n t s - - - - - - d i f f r a c t i o ng r a t i n g sa n dp h o t o e l e c t r i c a ld e t e c t o rw e r e a l s oi n c l u d e d 。a c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i v et h e o r y , w eg i v et h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h eo p ms y s t e mw h i c hw a sc o n s i s t e do fo p t i c a lp a t hm o d u l e ，p h o t o e l e c t r i c a ld e t e c t o ra n d c i r c u i tm o d u l e 。t h ek e r n e lo p t i c a lp a t ha d o p t e dd o u b l e - c h a n n e ls t r u c t u r ew h i c hi m p r o v e d t h ee f f i c i e n c yo f d i f f r a c t i o n ，t h ew a v e l e n g t hr a n g ea n dt h ea c c u r a c yo f w a v e l e n g t h 。f i n a l l y ， w eg o tt h ew a v e l e n g t h ，p o w e ra n do s n rd a t af r o mt h eo p mb ye x p e r i m e n t 。b y c o m p a r e dw i t ht h ea g i l e n t a n r i t us p e c t r u mm o n i t o r , w ef o u n dt h a tt h ee r r o rw a sc o n f i n e d i nt h ep e r m i t t e dr a n g e 。 i nt h i st h e s i s ，o p m se v e r ya s p e c t sa r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d b yt e s t ，i ti sp r o v e d i l 华中科技大学硕士学位论文 t h a tt h ed e s i g n e do p m sp e r f o m e m c ei sf i r e df o rt h ed e s i g n e dd e m a n d 。i m p r o v e d s u g g e s t i o ni sm e n t i o n e d ，a n da l lt h e s ea r eh e l p f u lt of u t u r er e s e a r c ho rd e v e l o p m e n t 。 k e yw o r d s ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) ，d i f f r a c t i o ng r a t i n g ，o p t i c a lp e r f o r m a n c e m o n i t o r ( o p m ) ，o s n r ( o p t i c a ls i g n a ln o i s er a t i o ) l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：翎史娟 日期：知呵年t o 月哆同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，町以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：钥孟哟 h 期；如s 年f o 月哆日 指导教师签名：昔7 争俄 日期：驯佯月叶1 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 全光网络的概述，发展及现状 所谓全光网( a o n ) 是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域进行，即 全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光 再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。a o n 有如下特点： ( 1 ) 充分利用了光纤的带宽资源，有极大的传输容量和极好的传输质量。w d m 技 术的采用开发了带宽的资源，光域的组网减少了电光、光电变换，突破了电子瓶颈。 ( 2 ) a o n 最重要的优点是其开放性。a o n 本质上是完全透明的，即对不同的速率、 协议、调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备( p d h s d h a t m ) 甚至与 i p 技术共存，共同使用基础设施。( 3 ) a o n 不但扩大了网络容量，更重要的是易于 实现网络的动态重构，可为大业务量的节点建立直通( c u t t h r o u g h ) 的光通道。利 用光分插复用器( o a d m ) 可实现在不同的节点灵活地上、下波长，利用光交叉连 接( 0 x c ) 实现波长路由选择动态重构、网间互连、自愈功能。( 4 ) 采用虚波长通 道( v w p ) 技术，解决了网络的可扩展性，节约网络资源( 光纤、节点规模、波长 数) 。另外还有如网络的吞吐量大、网络结构简化等特点。 全光网一经问世就引起了人们极大的兴趣，世界一些发达国家都以关键技术和 设备、部件、器件以及材料的研制开发为突破口，通过现场实验来完成实用化和商 用化进程。如美国的光网络计划除了美国国防部远景研究规划局( a r p a ，a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) i i 期全球计划( m o n n e t ，n t o n ，i c o n ，w e s t ) 之外， 还包括了a r p ai 期计划中的一部分( o n t c 、a o n 等) ，欧洲与美国一起进行的光 网络计划r a c e ( 欧渊先进通信方式的研究与技术发开发) 和a c t s ( 先进的通信技 术和服务) 等。i t u t 也抓紧研究有关全光网络的建议，全光网也被认为是通信网向 宽带、大容量发展的首选方案。 要在a o n 中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术。 全光网的关键技术主要包括光交换光路由、光交叉连接( o x c ) 、光分插复川 华中科技大学硕士学位论文 ( o a d m ) 以及波长变化技术等。 末来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶级，也是 理想阶段。目前，光传输速率不断提高，预计在未来1 0 年还将提高1 0 0 倍，在这种 超高速网中，如果继续采用原有的网络节点设备，将使整个网络变得庞大复杂难以 实现，采用电信号处理信息将给高速传输带来电子瓶颈，超高速带来的经济效益将 被昂贵的光电和电光转换费用所抵消，因此实现全光网是唯一的出路。 a o n 就是网络中到用户节点间的信号始终保持光的形式，中间没有电的转换。 由于打破了光电转换的瓶颈，采用a o n 可实现超大容量的网络。同时，全光网具有 网络的可扩展性，即允许网络节点数和业务量的不断增长，而不影响原有的网络结 构。a o n 的透明性允许混合不同体制、格式和速率的信号，允许互联现有和任何末 来的新系统。a o n 还具有可重构性，采用关键网元o a d m 和o d x c 使网络的组构 更加灵活。同时由于采用无源的光器件，故障率下降，使全光联网具有更高的可靠 性和可维护性。特别是对于我国这样一个幅员辽阔、具有庞大干线网的国家，全光 网的建立将在干线网的交叉节点上引入o x c 和光波长变换，而形成端到端的“虚波 长”通路，实现用户端到端的全光网络连接。这将使电路之间的调配转接变得简单 和方便。从发展趋势看，形成一个真正的、以w d m 技术及光交换技术为主的光网 络层，建立纯粹的全光网，消除光电瓶颈已成为光通信发展的必然趋势，它完全符 合传送网的分层化，在电路d x c 和a d m 之下提出了一层新的光网络层，简化了网 络结构，提高了网络可靠性，并且与业务和承载信号无关，具有重要的现实和长远 意义。 实际上，2 1 世纪的通信网将成为光子网络，载有信息的光子将直接进入城域网、 企业网、路由器和服务器，甚至用户家庭。当然a o n 的发展还处于初期阶段，但它 已显示出了嶷好的发展前景。 长期以来。人们总是用铜线和电子技术来衡量光网络技术的成功与否。即使今 天，潜在用户也要拿光纤方案的经济性与电子方案的经济性作比较做同样的事 情，用光方案比用电方案贵多少? 这种思考方式却很少反过来用。对于光通信设备 厂商来说，幸运的的是，在长途传输中大多数光方案的巨大容量经常能够克服其成 华中科技大学硕士学位论文 本 二的劣势。 事实上，很多用户都使用铜线技术，直到这种技术再也无法满足他们的需求。 这是典型的成本与收益的博弈。因此，光设备和器件公司一直在努力制造更便宜的 产品，而电子设备开发者一直致力于提高产品的性能。 光与电的较量结果取决于具体的应用。铜线目前仍能阻止光纤进入局域网，这 要感谢人们的惯性，还有超5 类和6 类电缆的进步使得以太网的速率不依赖光纤也 能达到目前的g b i t s 级，不久后甚至能达到1 0g b i t s 。而光技术已经占领了所有睦途 网和大多数城域网，这时候因为这些网络对带宽和距离的要求已经远远超出了铜线 的能力。 光技术在长途网和城域网这些网络中的成功应用引起了全光网技术的开发。这 时人们发现：光子技术与电子技术的成本对比关系倒了过来。在全光网中，越多地 使用纯光器件，即越少地使用光电光转换器件，成本越低。确实，没有电器件，就 无法获取控制信息，但是开发者正在勤奋地研发光控制器、光缓存器以及其它与电 子存储转发器件对应的光子器件等。 然而，晶体技术的进步又使情况有所变化。成本总是和收益挂钩的。在一级网 络，如果光电光转换的成本与其带来的收益是合理的，那末全光方法似乎就是多余 的了。确实，对于很多网络工程师来说，关于光子器件和电子器件的争论都快带上 宗教色彩了。对于那些不了解全光技术或者信仰电子技术的人来说，便宜的光电光 转换设备仍将很有吸引力。 即使在器件和子系统领域，由于前向纠错和电子色散补偿器件的出现，曾经风 光一时的阵列波导和半导体光放大器等光子器件也已经不是热销产品了。甚至光设 备公司都不得不采用光电光转换技术以便利用最新电子技术带来的好处，或者至少 将电子器件与光器件一起使用，好让新的光技术得到推广。将电子色散补偿芯片用 于最新的长波长垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 就是一个很好的例子。 正看到有一种动力将复杂性和智能从光域移向电域。这没什么奇怪的，因为至 今技术人员还没有开发出能与网络必须的一些电子器件媲美的光器件。运营商当然 不希望一方面业务向数字化方向发展，另一方面网络却向模拟化发展。 华中科技大学硕士学位论文 光器件和系统厂商将会继续研发全光网技术。光色散和偏振模色散补偿技术将 会越来越高效便宜。光信号的无再生传输距离也会越来越长。然而，所有的全光技 术成就都要接受成本与收益的检验。从这一点来说，将电子设备从网络中去除的挑 战，今天更胜于以往。 综上所述，a o n 可以说是光通信网络技术发展的最高阶段。随着光通信技术的 不断发展，a o n 已现雏形，虽然由于在技术上的限制，a o n 技术仍然面临着很多挑 战有待克服。但有理由相信，a o n 的传输距离会越变越长，a o n 的系统将出现。光 交换、交叉连接技术将会取得重大突破，光网络的分组交换也将取得进步，而光网 络的管理与维护也必将得到大发展，并与无线、i n t e m e t 更好的融合，到那时，全光 网将给带来一个全新的通信时代l 1 】- 【6 】。 1 2 光通道性能监测模块在全光网络中的应用 为了满足对带宽的需求，通信运营商和系统供应商都把高速密集波分复用 ( d w d m ) 系统作为优化网络的首选方案，因而d w d m 技术以其巨大的容量和高 效的带宽利用在光纤通信网络中得到了广泛的应用。现今的光传输通信网络，包括 骨干长途网、本地城域网和用户接入网，都以d w d m 技术为平台，基于d w d m 的 光传送网构成了整个通信网络的基础物理层。而随着d w d m 技术的不断升级，通信 网中的光信道问隔由2 0 0 g 发展到1 0 0 g ，5 0 g 甚至2 5 g ，信道数量越来越多，信道 速率不断提高，容量也越来越大，这样，网络的安全高效运行就越来越需要得到有 效的保障和加强。首先，对系统商和设备商而言，为保证在光网络在多信道和高速 率情况下运行稳定可靠，必须在光网络中比较关键的位置对各个光通道信号的波长、 功率和光信噪比( o s n r ) 进行监测；其次，光纤通信网络的广泛使用使得网络拓扑 结构越来越复杂，网络管理智能化和网络自动控制也要求能对网络中关键节点的状 况进行实时监控：再者，随着现有光网络的老化，光通信网络面临着不断更新与升 级，对部分即将更新的光网络则更加需要实时监测其工作状况；最后，对器件供应 商和光纤制造商来说，也需要新的简易，针对性更强的设备来对他们的d w d m 产品 进行测试。于是，如何获取光通道的性能状况以支持网络控制和管理操作，就成了 4 华中科技大学硕士学位论文 光通信设备和系统设计所要解决的关键问题。d w d m 系统光通道性能在线监控模块 ( o p m ) 正是为满足这些需求而出现的一种精确、轻便和低成本的测试模块。传统 方法多多采用与业务信号协议相关的开销字节来实现，需要昂贵的高速率光电变换 处理，且格式不透明而导致扩展性较差，这就促成了多种光通道性能监测( o p m ) 技术的纷纷出现，这些技术通常与光通道所传送的客户层信号协议，速率无关，目 不需要告诉光电变换或时钟提取，非常适合智能光网络应用，已经受到业界的广泛 重 见。如图1 1 ，是o p m 模块在d w d m 系统中使用的一个比较典型的实例。 d ml a d d 图1 1o p m 模块在d w d m 系统中的使用实例 1 3 光通道性能监测模块的基本原理与结构 一t d e m u x _ 三 现在，很多公司正在开发或已经开发出多种型号和性能指标的o p m 模块，按照 其分光原理来分类，这些o p m 模块可以分为衍射型和干涉型两种。而由于每种o p m 模块中使用的具体分光元件可能不一样，使得各种o p m 模块在结构上又有很大的变 化和差异，下面分别加以阐述。 ( 1 ) 基于衍射型的o p m 基于衍射型的o p m 模块主要由三部分组成：衍射部分，阵列探测器，信号处理 器。这种类型的o p m 因衍射元件和衍射方式不同而在具体结构上有所差异。其中， 衍射元件主要有透射型衍射光栅、反射型衍射光栅和光纤光栅等几种；而衍射方法 主要包括单通、双通以及四通等等。现在以基于透射型衍射光栅的单通o p m 模块的 结构为例，对这种类型o p m 模块的原理进行说明( 如图1 - 2 ) 。 鬲i百 例，别 、hn，9“斗囱 、 协 ， 型号习 华中科技大学硕士学位论文 衍射光栅会聚透镜阵列探测器 图1 - 2基于透射型衍射光栅的单通o p m 模块结构示意图 在这种结构设计中，首先从网络中提取出一定比例功率的光信号：该光信号经 过准直透镜后转变为平行光，并使平行光沿着衍射光栅的最佳衍射角入射；经过衍 射光栅后，得到衍射效率极大的衍射光，不同波长( 频率) 的光信号被分离开：分 离后的光信号经过会聚透镜，被会聚在阵列探测器的不同象素上，并在阵列探测器 上按波长( 频率) 依次分布；阵列探测器对光信号进行实时快速采样，将光信号的 幅度转换为电信号，从而获取原始的光谱数据，并将原始数据传送给信号处理器； 信号处理器对原始数据进行处理和分析，根据光强的幅度和分布，进行去卷积运算， 恢复光谱曲线，计算出光信号的通道中心波长( 频率) 、光功率、o s n r 等各种参数 ( 如图1 3 ) ，最终将计算结果和光谱曲线输出。 波长 酬1 - 3 光信号及参数示意图 这种结构的o p m 模块中没有活动部件，能够对设定的波长范围内不同波长的光 信号进行同时采样，其突出优点是稳定性好、能够快速测量。其缺点也比较明显： 首先，光学部件较多，光栅的体积比较大，衍射也需要空间，使得这种结构整体体 积相对较大；其次，光栅的衍射效应带来的光信号问的通道干扰，使在计算各项指 标时有一定困难：再者，受到阵列探测器的单个象素尺寸和象素数量的限制，对光 信号的采集误差也影响了o p m 模块的性能指标；最后，高精度的性能指标，特别针 6 华中科技大学项士学位论文 刈5 0 g 的光信道间隔，需要采用高精度、动态范围大的阵列探测器，带来了成本的 上升。 为了避免以上缺点和减小测量精度上的影响，很多改进方案被提了出来。例如 使用双通或四通的结构，即在光学结构中巧妙的增加一些装置，如反射镜等，使光 信号在到达探测器之前，在三维空间经过光栅两次或四次，以提高利用光栅的衍刺 效率，从而成倍增加其工作波长范围，提高波长分辨率；通过使用光纤光栅代蛰衍 射光栅，可以减小尺寸：通过半导体工艺，将光栅和光学透镜集成，做小型化封装； 通过平面光波导( p l c ) 技术，将分开的光信号通过单独的通道送入单独的光电探测 器( p i n ) ；采用去卷积算法，计算模块的传递函数，恢复光谱信号等等7 】【”。 基于衍射型的o p m 模块，目前是一直比较流行的设计，被大部分公司采用。在 采用一些特殊结构和算法后，可以显著提高波长分辨率和o s n r 的测量结果，不仪 能对1 0 0 g h z 的d w d m 系统进行很有效的监控，甚至能满足5 0 g h z 的d w d m 系统 的监控要求。 ( 2 ) 基于干涉型的o p m 基于干涉型的o p m 也主要由三部分组成；可调谐滤波器，探测器和信号处理与 控制器( 如图1 4 ) 。同样，这种结构的o p m 模块因可调谐滤波器及其驱动不同而在 结构上有一定的差异。现在所采用的可调谐滤波器原理主要分为m i e h e l s o n 干涉仪、 f a b r y p e r o t 干涉仪和介质膜滤波器等等；而所采用的驱动主要有压电陶瓷、微电机 系统( m e m s ) 以及温度传感等等。 图1 4 基于干涉犁的o p m 结构示意图 基于干涉型的o p m 模块基本工作原理如下：首先，从光网络的信号中，提取出 来一定比例的光功率，传送到可调谐滤波器；可调谐滤波器对输入的光信号进行滤 华中科技大学硕士学位论文 波，将一定带宽的光信号透过，再导入光电探测器中；光电探测器进行光电转换， 对光信号采样，将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理与控制器；信号处理 与控制器在接收了采样数据后，再发送指令，改变可调谐滤波器的通带波长，如此 反复，直到扫描完所需的整个波长范围；最后信号处理器将得到的采样数据进行分 析和处理，计算得出光信号的通道中心波长、光功率、o s n r 等指标，并将结果和 光谱数据输出。 这类o p m 模块最大的优点是体积小。光路简单，没有了分光元件，避免了由于 光学元件衍射效应带来的通道间干扰；同时，由于采用的单个光电探测器，对光信 号的采集效率和降低成本方面都有极大的改善。但是，作为核心器件的可调谐滤波 器( t o f ) ，目前还很难达到o p m 所需要的带宽和速率以及其他指标，导致了这种 结构目前不被广泛采用。首先，可调谐滤波器的技术还不成熟，成本居高不下；其 次，采用驱动对可调谐滤波器进行高精度的定位和调节，不能对波长范围内的信号 进行同时采样 最后，数据流为串行处理，扫描速度相对比较慢，使得这类o p m 对 系统信号的实时监控有一定的困难。 两种结构的o p m 模块，都具有各种的特点，在不同指标要求的应用领域都具备 各自的优势。总的来说，衍射型的设计具有快速、稳定的特点，而干涉型的方案结 构简单，体积小；数据采集上一个采用并行处理，一个采用串行处理；数据处理上 的流程基本相同，首先根据各个模块特有传递函数，采用去卷积算法对光谱进行恢 复，然后计算出通信线路上光信号通道所需参考的参数如中心波长、通道光功率及 各个信道的o s n r 。目前，两种类型的o p m 模块都有相应的产品系列。 1 。4 光通道性能监测模块的技术指标及研发现状 o p m 模块能够针对通信系统中光信号特点，实时监控线路上3 2 n m 左右波长范 围内的d w d m 光信道的中心波长、光功率、o s n r 等。作为一个模块，除了要求指 标t 的稳定和准确之外，还要求能够适应各种恶劣的外部工作环境。一个典型的o p m 模块技术指标主要包括：工作波长范围、波长分辨率、波长精度、输入光功率范围、 光功率分辨率、光功率精度、o s n r 、扫描时间、工作电压、工作电流、工作温度、 华中科技大学硕士学位论文 储存温度、工作湿度、储存湿度、外观尺寸等等。 目前，生产并提供o p m 模块的主要是一些国外厂家，包括a x s u nt e c h n o l o g i e s ， b a y s p e c ，o c e a no p t i c s ，y o k o g a w a ，n o y e sf i b e rs y s t e m s ，c i s c o ，o p t o v a t i o n l i g h t c h i p ， n o r t e l t e l e c o m ，c o n t r o l d e v e l o p m e n t ，o p t e n i a ，l u c e n t 等十几家公司；在国内，武汉光 迅科技股份有限责任公司( a c c e l i n k ) 自主研发的o p m 模块比较成熟。 将o p m 模块按其功能可以分为低端和高端两种。其中低端的o p m 模块只能对 光信号的功率和波长进行实时监控，这类o p m 模块成本较低，应用面也较广；高端 的o p m 模块能对光信号的波长、功率、o s n r 等参数进行实时监控，相对成本比较 昂贵，主要应用于光网络的关键节点的监测，为系统网管提供准确可靠的网络参数。 根据d w d m 系统中光通道的波长间隔范围，o p m 模块可在规格型号 二被分为 5 0 g h z 1 0 0 g h z ，2 0 0 g h z ，其中1 0 0 g h z 是目前比较常规的一种型号，5 0 g h z 的o p m 模块要求较高，但是系统发展的必然方向。从可监测的波长范围来看，主要可分为c 波段或者c + l 波段。 评估一个o p m 模块指标的最重要的方面就是o s n r 的测量范围和精度。对 1 0 0 g h z 的系统，要求测得的o s n r 指标高于2 5 d b ，准确度在“1 d b 以内。有些厂 家生产的o p m 模块具备3 0 d b 的测量范围。对5 0 g h z 的系统而言，由于通道间的串 扰更加严重，系统对其o s n r 指标更为关注，一般要求o p m 模块也能达到2 5 d b 以 上。 作为一个功能模块，除光学指标之外，o p m 的尺寸大小也是一个很重要的考虑 因素。尺寸越小，就越具备市场优势。在与系统通讯的接口协议上，目前没有一个 统一的标准，各个厂家都根据自己的设计来定义，这个也是o p m 模块在系统上还没 有广泛采用的一个因素。 在以上提及的o p m 模块生产厂家里，以o c e a no p i t c s 、b a y s p e c 和a x s u n 这三 家的产品最全面，也占据了目前主要的市场份额。国内，武汉光迅科技股份有限责 任公司( a c c e l i n k ) 生产的o p m 模块，可以用于c 波段1 0 0 g h z 的d w d m 系统， 其性能达到同类产品的领先水平。表1 1 对以上四个厂家o p m 模块的主要指标进行 了比较。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 1 技术指标对比 指标单位a c c e i i n ko c e a no p t i c s b a y s p e c a x s u n 1 5 2 8 1 5 7 01 5 2 7 1 5 6 5 波 乏范围：1 5 2 5 1 5 6 51 5 1 9 1 5 7 0 1 5 7 0 1 6 0 51 5 7 0 1 6 1 0 i 波长精度 p m 十3 0+ ，_ 3 0 + - 3 0+ ，- 3 2 功率范围 d b m一4 0 1 0 0 时，称为正级光谱；m _ 0 8 m h z ，故采用了a d 公司的最大采样频率为2 m h z 的a d 7 6 7 系列 a d 芯片。 同时，由于c c d 输出信号幅度不完全和a d 芯片匹配，同时不具有采样能力， 需要在a d 芯片前加入放大跟随电路。对于运放芯片的选择，首先是要具有同范围 的输入输出段，同时由于o p m 对信号的敏感，需要高精度运放。 下面是整个系统的信号数据流程图，见图3 - 9 。 图3 - 9 信号数据流程图 此软件算法的功能是进行数据处理，恢复信号，使信号经可能的接近原始信号。 在基于d s p 的图像处理算法流程中，通过去卷积和除噪声，提高o p m 的o s n r ，使 复原信号尽可能接近原始信号。而复原实际上是一个估计的过程，通过适当的估计 华中科技大学硕士学位论文 使复原图像尽可能的逼近原始图像( 以波长为自变量，振幅为应变量的图像) ，具体 采用了经典图像滤波复原法。 3 。4 光路部分固定结构设计 根据o p m 的光路设计，将所应用的光学元件用机械固定方式集中到一个模块 中，便于调试和检测，性能参数稳定可靠。经过反复设计与修改，光学部分固定结 构如图3 1 0 。 图3 一l o 光学部分固定结构设计图 在基于衍射型光通道性能模块( 0 p m ) 的研制设计中，应用的有透镜，反射镜， 光栅等板状光学零件，综合起来，可供参考的固定方法有四种：滚边固定法，压圈 固定法，压板固定法，胶接固定法。下面会逐一介绍所采用的这四种固定方法。而 后对具体所采用的固定方式进行阐述。 ( 1 ) 滚边固定法 华中科技大学硕士学位论文 滚边固定法是在专用车床上将黄铜或合金铝制造的镜框边缘压弯，使其完全包 住圆形光学零件的倒角。滚边时，必须采用中心校正仪进行监视。镜框壁是比较厚 的，欲使边缘折弯，需将镜框边缘从外面车成锥形。制造镜框的材料除了黄铜外， 还有硬铝和钢，镁铝合余。镜框内腔车有螺纹，用以消除杂光。镜框应制有滚花或 扳手槽，扳手孔。光学零件的周缘应加弹性材料垫圈或涂有蜂蜜蜡，以确保密封性。 滚边法的优点是结构简单，对光学零件压力小。滚边法的缺点是只能用于小直 径的圆形光学零件，而且，一旦要调换光学零件，必须破坏镜框。直径大丁4 0 毫米 的光学零件，一般均不采用滚边固定法。 ( 2 ) 压圈固定法 用压圈固定圆形光学零件的方法称为压圈固定法。该法适用于直径大下1 0 毫米 以j 二的光学零件。压圈有外螺纹压圈和内螺纹压圈两种。一般情况下，尽量采用外 螺纹压圈，因为它制造比较容易。用压圈法固定圆形光学零件有下列几种情况： 直接用压圈固定光学零件。这种固定方法简单，但是由于螺纹可能倾斜，使 光学零件表面受力不均匀。因此，容易产生内应力，影响成象质量，同时，这种固 定方法在温度下降时，由于金属的膨胀系数比玻璃大很多，光学零件所承受的压力 就必将增加。轻者使玻璃内应力增加，重者可能损坏光学零件。因此，这种方法很 少采用。 利用弹簧圈和压圈固定法，为了克服上述的直接用压圈固定法的缺点，目前 均采用通过弹簧圈再用压圈固定光学零件。利用这种方法可以固定大于4 0 毫米的薄 透镜或平面反射镜。 有些物镜是由几片分离不很远的透镜组成的。固定这种物镜，除了要利用弹 簧圈和压圈外，还需要用隔离圈将透镜按光学设计的要求分离开。隔离圈的长度和 它的精。 度由光学设计所决定。 镜框，压圈，隔离圈和弹簧圈一般采用黄铜制造。近十几年，为了节约用铜， 也完全可以用钢代替。为了节约重量，有时也采用硬铝或铝镁合金。所有的压圈和 垫圈必须发黑或镀黑镍，以减少杂散光。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 压板固定法 方形或长方形的反射镜和光栅，是不能用压圈固定的。这种形状的光学零件常 用压板和软木垫块固定。软木垫块是为了使压力均匀分稚和避免周围环境温度变化 对固定结构的影响。压板可以制成长条形的，长方形框状的，小块形状的。利用小 块压板和软木垫块还可以固定大口径的圆形光学零件。 一般反射镜还需要有倾斜的调节机构，常采用三点调节机构，分别调节i 个螺 丝，可以佼反射镜绕水平轴和垂直轴倾斜，从而改变光轴的方向。调节完后，可以 用双螺母锁住已调好的位置。这种结构不管反射镜的大小，是球面，平面，还是非 球面，均可采用。 对于高精度的平面反射镜和高精度光栅的固定要特别小心谨慎。压力不宜集中， 更不宜过大，因此，高精度的平面反射镜常选用弹性元件压紧。 ( 4 ) 胶接固定法 胶接固定法有以下优点： 固定的结构简单，能减轻重量； 工艺简单，胶接能密封，绝缘和耐腐蚀等； 胶接处应力分布均匀； 能胶接各种金属，非金属等材料。 目前，胶接光学零件与金属的胶粘剂有三种：环氧树脂胶粘剂，聚氨基甲酸脂 ( 聚氨脂) 胶粘剂( 乌利当胶) 和6 6 1 胶粘剂。 环氧树脂胶粘剂以环氧树脂为主体，加入硬化剂。根据特殊使用要求，可再加 入促进剂，增塑剂，填料，增韧剂，稀释剂等配置而成。该粘剂的粘和性良好，应 用广泛。其优点是粘附力强，硬化温度低( 室温或稍高于室温，但需接触压力) 和 收缩小，能耐化学药剂，溶剂和油类等。电绝缘性好，使用方便。缺点是固化后耐 热性和韧性较差。 聚氨脂胶秸剂是由异氰酸脂( 聚氨脂线性弹性体) 为主体加固化剂( 改性羟基 异氰酸脂) 和固化剂( 聚脂) 缩合而成。其特点是在室温下可固化，起始粘力高， 有较好的抗冲击性能，剪切性能，剪切强度，剥离强度，能耐水，耐油，耐稀酸， 华中科技大学硕士学位论文 价格较低。 6 6 1 粘接剂是一种常温固化的粘胶剂，它是由4 6 5 0 环氧树脂与4 6 5 0 聚酰胺按1 0 ： 15 2 的重量配置而成。4 6 5 0 环氧树脂是由改性的双酚环氧树脂一双酚( 2 2 ：4 羟 摹苯丙烷) 和环氧氯丙烷，并加有苛性钠经缩合而制成。该胶不仅可用于胶接金属 与玻璃，而且成功地用于胶合光学零件本身。该粘胶剂可用于气候潮热条件下和与 海水接触的零件间的胶合。6 6 1 胶粘剂的特点是：在可见光谱区的透过率为9 0 以 j ：，折射率。= 1 5 4 7 0 6 ( 2 0 。时) ，耐温1 8 0 。c 至+ 1 2 0 。c ，耐水性强，不溶解于溶 剂中，机械性能良好。 在基于衍射型光通道性能模块( o p m ) 的实际研制中，根据具体形状的光栅， 透镜，反射镜以及相应的光路，机械结构中将相关光学元件设计在同一基准面上， 所采用的固定方式有压板固定法。其中，对第一个反射镜，利用其底面和顶面是非 工作的平行平面，根据这个特点采用压板固定法。对光栅，也是这个道理，利用其 非工作区域，用螺钉压紧固定，如图3 1 1 所示。而对另一第二个反射镜，因为其为圆 形，所以固定圈也为圆形。而且，由于它需要调试，所以在调试过程中，需要制作 相应的夹具，确定光路后，用焊锡固定。这些光学零件固定在一块基板上，可以固 定到一个模块盒中，同时它也可以取出，便于放置在微调架中，调整光路。这些设 计极大的提高了可操作性以及光性能的稳定性。 图3 11 光栅的固定夹具 3 5 主要参数定义和性能指标 由于目前对o p m 的研究和开发还不是很成熟，对于o p m 的各种指标和参数的 定义还没有相关的i t u 标准，所以，不同的研究单位或生产厂家对o p m 的各项指标 华中科技大学硕士学位论文 和参数的具体定义可能有所不同。在此，有必要把所研究的o p m 的主要指标和参数 的定义做一下说明。 ( 1 ) 波长范围( r a n ) ：o p m 能够正常工作的光谱范围。 ( 2 ) 绝对波长精度( p m ) ：规定的能容许的最大波长误差，记为a 。，以0 为 中心。对o p m 而苦，要求测量波长误差必须在【一。，+ 。】范围内。绝对波长精度的 数学表达式为： 触( 1 a a i ) = 妇( 1 五，。一& 1 ) 。或一a 。a + 。 a a = 。一如为任意一个通道的波长误差，如为o p m 测得的峰值波长，五 为校准后的波长计测得的波长。肘缸( f i ) 为所有通道中最大波长误差的绝对值。 ( 3 ) 相对波长精度：此处有两种定义，如图3 1 2 。 定义1 ：相对波长精度( p r o ) 为允许的所有通道中误差分布的最大范围( 巧。，) 。 对o p m 而言，最大波长误差范围为僦。= 矗。一l 。氏，此处，厶l 。，和。为 o p m 所测得的最大和最小波长误差。 定义2 ：相对波长精度( p m ) 定义为醣2 ，此处瓦为最大允许波长误差范围。 它不一定以0 误差为中心。 这两种不同的定义描述的为同一现象。 绝对波长精度确定最大允许波长误差，而相对波长精度确定所有通道的平均波 长误差。 图3 ，1 2 相对波长精度的定义 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 波长分辨率( 光谱分辨率) ( p m ) ： 波长分辨率是指光信号峰值强度一半处的光谱宽度，o p m 能很精确的分辨出信 号峰值强度一半处的光谱宽度。所以，波长分辨率就是o p m 能分辨的相邻两个功率 谱的最4 , 1 b i 隔。 ( 5 ) 动态范围( d b ) ：是指o p m 工作的光功率范围。可以这样表述： 动态范围= 通道输入功率的上限一噪声水平 值得一提的是，动态范围是一相对值。比如：如果通道输入功率的上限是一2 0 d b 噪声水平是一8 0 d b ，那么动态范围就是为6 0d b 。 ( 6 ) 通道输入功率范围( d b ) ：指规定的o p m 工作光功率范围。探测灵敏度决 定了o p m 输入光功率的下限。同时，如果输入光功率超过了o p m 的上限，探测器 将达到饱和。 通道输入功率范围= 通道输入功率上限一通道输入功率下限 注意“通道输入功率范围”与“动态范围”有区别，见图3 1 3 。 u p p # h l r a lo f d l a l l e lm mp * r 4 。! 个，。，。，。， j ， ：l o v i t l - i m 埘o f t l l a t 毗d i n p i ”岬 1 y l l i l l l h l * t 、二 k n 图3 1 3“通道输入功率范围”与“动态范围”的区别 ( 7 ) 通道功率精度( d b